曾 根，呂建國，胡建軍，馮 亮，李 芍

(中國北方車輛研究所，北京100072)

隨著車輛電子信息系統(tǒng)電子化程度日益提高，對(duì)車內(nèi)總線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)也提出了更高要求.FlexRay總線在實(shí)時(shí)性、傳輸速率、可靠性等方面有一定優(yōu)勢，使其能夠滿足目前車輛對(duì)安全性和可靠性等方面的需求，故對(duì)FlexRay總線技術(shù)的研究是車輛電子通信技術(shù)發(fā)展的新趨勢[1].

形式不同的車輛電子信息系統(tǒng)對(duì)于FlexRay總線應(yīng)用的方式有所不同，它與車輛電子信息系統(tǒng)的架構(gòu)形式緊密相關(guān).從信息系統(tǒng)架構(gòu)發(fā)展來看，車輛綜合電子信息系統(tǒng)架構(gòu)由分立式、混合式、聯(lián)合式向綜合化以及高度綜合化的階段發(fā)展[2].

在混合式以及分立式車輛電子信息系統(tǒng)中，F(xiàn)lexRay總線通信的實(shí)現(xiàn)一般是通過節(jié)點(diǎn)自帶的FlexRay協(xié)議以單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)通信功能的[3].

總線與以太網(wǎng)等通信技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用，使得車輛電子信息系統(tǒng)架構(gòu)向高度綜合化趨勢發(fā)展[4].采用中央核心處理機(jī)作為整車信息集成處理、綜合顯示的中心，總線連接各信息采集單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)與中央處理機(jī).這種架構(gòu)對(duì)于部署在中央處理機(jī)中的軟件的可維護(hù)性和可靠性要求較高，而軟件構(gòu)件化技術(shù)可較好地解決這個(gè)問題.對(duì)于各軟件構(gòu)件，最重要的是實(shí)現(xiàn)通信信息的采集處理以及其易配置、易維護(hù)的功能.

為了能更好地滿足現(xiàn)代信息系統(tǒng)架構(gòu)對(duì)FlexRay總線使用的需求，提出一種基于配置解析的FlexRay通信方法，目的是解決在軟件構(gòu)件化開發(fā)的平臺(tái)下，中央處理嵌入式系統(tǒng)與各采集和執(zhí)行系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信問題.

1 車輛信息系統(tǒng)架構(gòu)

目前車輛電子信息系統(tǒng)采用綜合化架構(gòu)形式，如圖1所示.中央核心處理機(jī)是信息集成的中心，所有車輛信息由各個(gè)采集單元通過FlexRay總線上傳至中央核心機(jī).中央核心機(jī)與顯控終端之間采用以太網(wǎng)方式通訊，這種架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了信息統(tǒng)一管理、統(tǒng)一部署、集成顯示等功能.

在綜合化的電子信息系統(tǒng)架構(gòu)下，對(duì)軟件的可靠性和可維護(hù)性要求更加嚴(yán)格，采用軟件構(gòu)件化的開發(fā)方法，中央核心處理機(jī)中的各軟件為獨(dú)立的軟件構(gòu)件，這樣可以提高開發(fā)效率，降低軟件間的耦合性，進(jìn)而提高軟件的可靠性和可維護(hù)性.中央核心處理機(jī)的軟件架構(gòu)如圖2所示.在嵌入式操作系統(tǒng)下，通過中央核心處理機(jī)支撐中間件平臺(tái)，每個(gè)功能軟件構(gòu)件只需關(guān)注自身功能的實(shí)現(xiàn).這種架構(gòu)下，每個(gè)軟件構(gòu)件關(guān)注的是通信信息，為了滿足嵌入式系統(tǒng)中眾多軟件構(gòu)件對(duì)FlexRay總線信息獲取的需求，就需要將一些通信策略和方法在支撐中間件平臺(tái)中實(shí)現(xiàn).

圖2 中央核心處理機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)

為了更好地實(shí)現(xiàn)信息的可傳輸、可維護(hù)、可配置，將各系統(tǒng)上傳的總線信息配置為易解析易存儲(chǔ)交換的XML格式文件.根據(jù)總線上發(fā)送的參數(shù)將具體幀、位所對(duì)應(yīng)的信息解析成核心機(jī)中各功能軟件構(gòu)件所能處理的全局信息變量，總線上發(fā)送數(shù)據(jù)也采用同樣的方式，這樣就可以保證軟件構(gòu)件功能的獨(dú)立性，提高開發(fā)效率，系統(tǒng)的可維護(hù)性也大大增強(qiáng).

2 基于XML配置的總線解析

XML(Extensible Markup Language，可擴(kuò)展標(biāo)記語言)，是一種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)語言，是為了對(duì)信息進(jìn)行自我描述而設(shè)計(jì)的一種語言(由W3C制定)[5].該語言使用簡單的標(biāo)記來描述數(shù)據(jù)，這些標(biāo)記可以很方便地建立.隨著XML及其相關(guān)技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展，XML逐漸成為了數(shù)據(jù)交換的一種標(biāo)準(zhǔn)，是一種信息交換的格式，此格式是靈活配置、可編輯、易解析的，并且可表示為任何類型的結(jié)構(gòu)或半結(jié)構(gòu)化信息[6].本研究決定用XML格式文件來配置總線的參數(shù)信息，從而實(shí)現(xiàn)與中央核心處理機(jī)中各采集、執(zhí)行系統(tǒng)軟件構(gòu)件之間的信息交互.

2.1 FlexRay總線的XML配置

根據(jù)第1章的分析，總線解析機(jī)制需要XML文件和總線解析軟件.XML文件中需要對(duì)總線參數(shù)對(duì)應(yīng)的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和聲明，中央處理機(jī)向各個(gè)系統(tǒng)中發(fā)送的信息也必須在格式文件中有所定義.

FlexRay總線是一種具有高帶寬、確定性強(qiáng)和可靠性好的通信協(xié)議，由靜態(tài)段、動(dòng)態(tài)段、符號(hào)窗和網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)間構(gòu)成，靜態(tài)段的節(jié)點(diǎn)一旦確定就固定不變[7].在實(shí)際運(yùn)用中，為了能夠提高總線信息的可配置程度，采用靜態(tài)段進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.

對(duì)總線信息傳輸周期的需求進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可歸類為5 ms、10 ms、20 ms、80 ms及大于80 ms的數(shù)據(jù)，信息量最大周期為320 ms，取最小發(fā)送周期5 ms為總線周期，如圖3所示.FlexRay總線通信以5 ms為一個(gè)通信周期，其中靜態(tài)段由64個(gè)時(shí)間片構(gòu)成，占3.2 ms;動(dòng)態(tài)段的最小時(shí)間占1.6 ms，留有空閑時(shí)間余量.網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)以時(shí)間片為單位分時(shí)利用總線網(wǎng)絡(luò)傳遞數(shù)據(jù)，在每一個(gè)時(shí)間片內(nèi)，根據(jù)時(shí)隙ID對(duì)每一幀的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，每一幀可傳輸32 字節(jié)數(shù)據(jù)[8].

圖3 FlexRay總線參數(shù)拆分

由上述分析可知，F(xiàn)lexRay總線傳輸?shù)男畔?shù)是可配置的，只需要知道車輛各個(gè)系統(tǒng)對(duì)信息傳輸周期即可.在實(shí)際運(yùn)用中，信息最小發(fā)送周期5 ms為總線周期，這樣周期為80 ms的節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的循環(huán)間隔可以量化為具體數(shù)值0、16、32、48，依此類推，可以配置每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的幀值.周期確定之后，根據(jù)ID號(hào)就能知道該周期內(nèi)每一幀數(shù)據(jù)代表的名稱，里面包括的32字節(jié)數(shù)據(jù)也能夠得到對(duì)應(yīng)，這樣總線節(jié)點(diǎn)上的每一個(gè)數(shù)據(jù)信息就能夠確定下來.

配置總線參數(shù)XML文件時(shí)，使用幀名(slot name)對(duì)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的幀進(jìn)行命名，比如，傳動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以定義為FR_CD_1.除最小周期5 ms的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)外，其他節(jié)點(diǎn)周期都有一定的循環(huán)間隔.根據(jù)配置好的節(jié)點(diǎn)調(diào)度表，可以引入3個(gè)變量filter(過濾碼)、fmask(間隔值)、fval(起點(diǎn)值)對(duì)循環(huán)間隔cycle進(jìn)行標(biāo)識(shí).filter為0表示周期為5 ms，為1表示周期不為5 ms;fmask的值乘以5 ms即為該節(jié)點(diǎn)的周期，所以若filter的值為0，則famsk的值肯定為0;fval表示節(jié)點(diǎn)周期的起始點(diǎn).隨后再分配slotid號(hào)，這樣就實(shí)現(xiàn)了FlexRay參數(shù)的配置.具體配置文件如下:

2.2 總線解析軟件設(shè)計(jì)

總線解析軟件根據(jù)XML配置文件完成總線數(shù)據(jù)的解析，得到各信息編碼對(duì)應(yīng)的數(shù)值，各個(gè)構(gòu)件訂閱所需要的信息編碼可獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù).

總線解析軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示.

圖4 總線解析軟件流程圖

首先檢測接收到的slotid是否有效.如果無效，等待下一個(gè)周期接收到的數(shù)據(jù);如果有效則進(jìn)行解析.通過XML文件接口在DPDrv目錄下判斷是Sx還是Rx，因?yàn)橥粋€(gè)slotid可能為不同的收發(fā)幀.根據(jù)總線數(shù)據(jù)的各個(gè)參數(shù)值(filter、fmask、fval)確定具體收發(fā)幀的slot name.程序在DPApp中進(jìn)行索引，找到相應(yīng)的slot name，最后，按照起始位＜S＞和數(shù)據(jù)長度＜L＞確定具體的信息，將信息值與＜I＞中顯示的信息編碼對(duì)應(yīng)起來.試?yán)袑?duì)應(yīng)的信息就是:“坐標(biāo)位置”對(duì)應(yīng)的信息編碼為0x03000000，它屬于發(fā)送幀;“風(fēng)扇轉(zhuǎn)速”對(duì)應(yīng)的信息編碼為0x04000000，它屬于接收幀.

總線信息解析完畢后，中央核心處理機(jī)中的軟件構(gòu)件就可以通過訂閱接收這些信息編碼，來完成數(shù)據(jù)的獲取.

3 仿真案例

在VxWorks操作系統(tǒng)環(huán)境下，利用FlexRay總線仿真工具對(duì)總線數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，處理機(jī)中的總線解析軟件通過接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，各個(gè)軟件構(gòu)件對(duì)于想要獲取的總線信息直接通過信息編碼獲取，在此我們以綜合信息顯示軟件構(gòu)件為例進(jìn)行驗(yàn)證，其他軟件構(gòu)件實(shí)現(xiàn)方法和顯示軟件構(gòu)件方法一樣，就不再贅述.

總線發(fā)送的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的十六進(jìn)制編碼為14H，通過總線解析軟件解析后，信息編碼0x04000000的值為14H，綜合信息顯示構(gòu)件對(duì)該值進(jìn)行標(biāo)定，具體過程如下:定義變量SPEED，將0x04000000的值賦給SPEED，利用公式SPEED=SPEED×100，完成標(biāo)定，并將這個(gè)值顯示出來 (如圖5所示)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速值為2 000 r/min，系統(tǒng)得到了很好的實(shí)現(xiàn).

圖5 實(shí)驗(yàn)室仿真儀表盤

4 結(jié)論

為了解決車輛總線與中央核心處理機(jī)中各個(gè)軟件構(gòu)件進(jìn)行數(shù)據(jù)通信交流的問題，提出了基于XML文件配置的總線解析技術(shù).通過實(shí)驗(yàn)室仿真案例的應(yīng)用，表明該方法正確，能夠很好地解決這個(gè)問題.該方法使得每個(gè)軟件構(gòu)件只關(guān)注自身邏輯的實(shí)現(xiàn)，忽略總線協(xié)議層，大大提高了軟件的開發(fā)效率，軟件的可維護(hù)性也得到了極大的增強(qiáng)，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值.

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